摘 要：介绍一个以单片机AT89C51\[1\]为基础的多用户数字电度表的集中管理系统，其设计包括控制中心和用户电度表2个部分。他能实现各个电力用户用电量的自动记录、传送及限定用户用电量范围等功能，使得在供电局抄表中心便能查询用电情况，自动抄收用户电表数、控制用电，并且能够整理和统计大量的数据，给用电量的管理带来方便，节省人力和物力。
关键词：AT89C51；数字电度表；集中管理系统；自动抄送；控制用电
中图分类号：TP368.1 文献标识码：B
文章编号：1004-373X(2008)06-027-03
Design of Multiuser Digital Electric Meter Centralized Management System
WEI Yongsen
(Guilin Normal College，Guilin，541001，China)
Abstract：This article introduces one take monolithic integrated circuit AT89C51 as the foundation multiuser digital electric meter centralized management system，including the control center and user electric meter.It can realize each electric power user electricity consumption automatic recording，the transmission and functions and so on definition user electricity consumption scope，causes to copy the table center in the power supply bureau then to be able to inquire uses electricity the situation，copies automatically receives the user electric instrument number，the control uses electricity，and can reorganize and count the massive data，has brought conveniently to the electricity consumption management，has saved the manpower and the physical resource.
Keywords：AT89C51；digital electric meter；centralized management system；sends duplicate automatically；control uses′ electricity
1 引 言
目前，我国城乡居民用户抄电表的方式基本上都是人工抄表，即由抄表人员每月逐户查抄电表。这种落后的方式，消耗大量的人力、物力，而且采集数据的时间跨度大、采集数据的准确度低。因此，国家有关部门规定以后将逐步以计算机为基础的自动抄表系统取代传统的人工抄表。自动抄表系统目前主要采用有线通信技术和电力载波通信技术。有线通信技术作为传统方法，以其稳定性占有优势。但有线通信铺线工程浩大，而且容易被人为损坏；同时居民楼建成后，再在墙壁表面拉线，居民难以接受。电力载波通信技术能有效解决上述问题，他利用现有交流电源线作为通信线路，省去了铺线工程，优势明显。但由于电力线是给用电设备传送电能的，而不是用来传送数据的，所以电力线对数据传输有许多限制。因此，本次设计的自动抄表系统是建立在有线通信技术基础上的。
自动抄表(Automatic Meter Reading，AMR)是指采用通讯和计算机网络等技术自动读取和处理表计数据\[2\]。发展电能自动抄表技术是提高用电管理水平的需要，也是网络和计算机技术迅速发展的必然。在用电管理方面，采用自动抄表技术，不仅能节约人力资源，更重要的是可提高抄表的准确性，减少因估计或誊写而造成帐单出错，使供用电管理部门能及时准确获得数据信息。智能远程抄表系统的使用是在整个住宅小区内布线，并集中到小区的物业管理中心，通过网络或电话将相关数据参数传输到供电局营业所、自来水公司营业所、煤气公司营业所；或将区域管理机组直接与网络或电话连接，直接将相关数据参数传输到供电局营业所、自来水公司营业所、煤气公司营业所。这种方式可以实时或定时自动采集每一块计量表的读数，可以实现一个城市在同一时刻抄收所有电表的数据，并完美地监控整个系统的工作状态。
2 系统组成与工作原理
本系统利用控制中心、采集器、存取器、通信等功能模块，对居民的电表进行集中管理。其中采集器主要对用户的电表进行脉冲计数。通信模块是整个系统的通信桥梁，他接收主控机监测命令，并把采集器的计数值送到主控机。主控机由单片机构成，负责对所有用户的电表进行自动抄表和全面监控，管理人员通过主控机就能知道每个用户的电表用量和供电情况，从而利用本系统对一大片用户进行集中管理。系统的核心是提供了一个控制信号采集和数据传输的平台，这个传输平台的逻辑层主要由链路层、网络层、传输层和接口等组成。他的前端模块主要资源有处理器、存储器、信号采集单元与相关信息，他能合理分配、控制处理器、控制信号的采集，使控制电路正常工作，确保采集的信息和数据能有效的传输。
整个系统的组成可分为2个部分：第一部分为数字式用户电度表，即完成数据采集，电量计算和传输；第二部分为控制中心，实现监控。整个系统的原理框图如图1所示。
控制中心向每个用户逐一发送数据采集指令，当用户接收到指令时，将采集到的用户用电量发送到控制中心。控制中心将采集到的每个用户的用电量进行显示，并且进行数据处理，如果某个用户的用电量超出了控制中心设定的用电量，控制中心将向该用户发出停止用电的指令，用户收到指令后自动切断电力线，限制用户的用电。
3 数字电度表各模块介绍
下面将介绍各模块的核心电路原理，以此来说明各模块的设计和功能。
(1) CPU及外围电路(AT89C51)
AT89C51是一种带4 kB闪烁可编程可擦除只读存储器(Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory，FPEROM)的低电压，高性能CMOS 8位微处理器。该器件采用Atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，Atmel的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
(2) 功率计量(AD7755)
AD7755是一种高准确度电能测量集成电路，其技术指标超过IEC1036规定的准确度要求。AD7755只在ADC和基准源中使用模拟电路，所有其他信号处理(如相乘和滤波)都使用数字电路，这使得AD7755在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。AD7755的低频输出是通过对上述有功功率信息的累计产生，即在两个输出脉冲之间经过长时间的累加，因此输出频率正比于平均有功功率。当这个平均有功功率信息进一步被累加(例如通过计度器累加)，就能获得电能计量信息。CF输出的频率较高，累加时间较短，因此CF的输出频率正比于瞬时有功功率，这对于在稳定负载条件下进行系统校验是很有用的。AD7755只有4个由S0，S1的逻辑而定的工作频率，这4个可选的频率是针对仪表常数为100 imp/kWhr(即每千瓦时对应100个计数脉冲)，最大电流在10～120 A之间的情况优化设计的。
由于本设计要求在额定电压为220 V(市电)的情况下，电度表的最大负载为2 000 W，因此，完全可以利用仪表常数为100 imp/kWhr进行电量计算。
AD7755的外围电路的设计重心在两个通道的前端电路。居民用电负荷反映在电流的大小上，因而用户用电电流的变化范围比起电网电压波动来说要大得多，其范围一般从0到满刻度，对用户电流信号进行实时取样与处理的电路。
我国居民家用电网的电压理论值为220 V/50 Hz，由于各种因素的影响，电网供电电压的波动范围较大(用电高峰期有时会低于150 V)。这样，为了提高电度表的精度，需要对电网电压进行实时采样，以计及电网电压变化对用户耗电功率和电量的影响。
另外在CLKIN与CLKOUT之间加上外部时钟，对规定的工作来说时钟频率是3.58 MHz。因此只要加上3.58 MHz的晶振电路就可以。
(3) 显示器(LED)
本设计利用4位共阴数码管作为电度表的显示器，以实时显示电度表的电量。4位共阴数码管集成在一起有12个引脚，其中8个段驱动，4个位驱动。AD0804，DAC0832，LM324(4运放)，采用动态显示方式。
扫描显示原理：本实验板用了1块4 位集成的LED 显示器。由于采用共阴数码管，所以低电平选通。要显示1个数字，并不是哪位显示就给哪位发，因为数码管的段驱动都连在一起，所以是给每个数码管都发送显示码，只不过通过输出位选信号保证只让某位数码管显示，其他处于不显示状态。
注意在LED的显示电路中，LED管的位选端要加上三极管起放大作用以保证数码管的8段显示电流。由于二极管的点亮电流为10 mA，因此每1位的电流至少得达到80 mA，但是单片机的I/O口不能输出这么大的电流。一般情况下，共阴极的数码管使用NPN管，共阳极的则使用PNP管。
(4) 数据通信(MAX232)
MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS 232标准串口设计的接口电路，为RS 232收发器，简单易用，单+5 V电源供电 。该器件包含2个驱动器、2个接收器和1个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。仅需外接几个电容即可完成从TTL电平到RS 232电平的转换。
(5) 存储器(24C02)
24C02属于AT24系列存贮器，AT24系列存贮器芯片采用CMOS工艺制造，内置有高压泵，可在单电压供电条件下工作。其标准封装为8脚DIP封装形式，24C02与单片机的接口电路很简单，只要将SCL和SDA跟单片机的I/O相连即可。
(6) 稳压电源
为了满足本系统中集成电路的需要，可以利用电网进户线通过稳压电路产生+5 V的直流工作电源。220 V的交流电先经过高压电容，再经过两个IN4001二极管的整流，最后通过稳压管IN47的稳压就可以得到+5 V的直流电源。
系统的故障保护部分由光耦817B和电磁继电器组成。脉冲输出与单片机之间加上的光耦主要是以防干扰。
4 控制机的设计
4.1 控制机的设计思想
控制机由主控机、人机交互界面、显示器、通信等功能模块，实现对电度表进行集中管理和控制。其中单片机89C51构成主控机，实现对电度表的数据采集，处理，存储以及控制。为了人为地、更好、更自由地控制电度表，利用键盘作为人机交互界面。显示器可以显示所采集和处理的数据以及信息，由LCM完成此功能。通信模块则是为了跟电度表进行通信，以实现数据和信息的传输。工作流程如图3所示。
4.2 硬件设计
(1) 人机交互界面
由4×4矩阵式键盘控制。这样，在键盘中按键数量较多时，可以减少I/O口的占用。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过1个按键加以连接。这样，1个端口(如P1口)就可以构成4×4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了1倍。
(2) 显示器(LCD)
主要由1602型LCM模块构成，TC1602A是一种16字×2行的字符型液晶显示模块。
DDRAM为数据显示用的RAM(Data Display RAM，DDRAM)，用以存放要LCD显示的数据，只要将标准的ASCII码放入DDRAM，内部控制线路就会自动将数据传送到显示器上，并显示出该ASCII码对应的字符。
控制机程序部分以子程序的方式给出，要进行串行通信时，可以直接调用这个子程序。控制机在接收或发送1个数据块后可返回主程序，完成其他的任务。分机部分以串行口中断服务程序的方式给出。故分机在这种情况下不能简单地等待分机准备就绪，而要重新跟分机联络，使分机再次进入串行口中断，可以通过按键12来实现。系统采用定时器1作为波特率发生器。控制机与分机所设置的波特率相同，在一定的条件下，可基本上实现通信的同步。
5 结 语
系统不但具有对各住宅用户进行数据统计，用电管理等功能，而且抄数即快速又准确，彻底解决了人工抄表的所有弊病，大大提高了工作效率，可以广泛应用于居民住宅小区、学校、工厂等。另外，对该系统稍加改造便可用于对煤气表，水表等其他家用数据的自动抄收。其中的数字电度表测量精度高，性能稳定可靠，不但可以取代老式的齿轮式电度表，还可以实现远程抄表及高效数据管理，是现代供配电管理不可缺少的用户电功率计，是老式电度表的替代产品。
参考文献
[1]高锋.单片微型计算机原理与接口技术[M].北京：科学出版社，2003.
[2]吕曙东.具有远程抄表功能的数字电度表的研究[D].盐城：盐城工学院，2005.
作者简介 韦永森 男，1971年出生，广西桂平人，桂林师范高等专科学校物理与信息技术系，副主任，讲师。主要从事电子技术的教学与研究。